地浸液處理用全自動(dòng)反清洗精細(xì)過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

廖文勝，王立民，陳 鄉(xiāng)，鄭建平，王 振

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

地浸采鈾工藝通過(guò)連續(xù)抽、注液，將浸出液從地下抽出，并將浸出液經(jīng)吸附后產(chǎn)生的吸附尾液調(diào)配成浸出劑后重新注入地下[1]1-3。由于流體動(dòng)力與化學(xué)作用，導(dǎo)致浸出液中有一定的固體物。為了保證樹(shù)脂床不被污染及地下礦層的孔隙不被堵塞，需要在浸出液進(jìn)樹(shù)脂塔前及浸出劑注入地下礦層前對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾[2]。

目前，地浸采鈾中基本采用袋式過(guò)濾器過(guò)濾。袋式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少，可以保證一定的過(guò)濾精度[3]1-4；但袋式過(guò)濾器納污量小，更換濾袋操作繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。很多廠礦在無(wú)法保證及時(shí)更換過(guò)濾袋的情況下，只能使用濾孔較大的濾袋，這樣會(huì)使小于濾孔直徑的微粒進(jìn)入樹(shù)脂床或礦層，導(dǎo)致樹(shù)脂床板結(jié)或礦層堵塞，致使吸附塔塔壓升高或者抽注液量下降。目前，中國(guó)鈾礦山的過(guò)濾精度一般為50～100 μm。

近年來(lái)，地浸礦山也應(yīng)用了自動(dòng)反清洗過(guò)濾器，采用不銹鋼細(xì)濾網(wǎng)做過(guò)濾元件，通過(guò)不銹鋼轉(zhuǎn)刷進(jìn)行反清洗[4]。這類過(guò)濾器使用的不銹鋼濾網(wǎng)納污量較小且網(wǎng)眼較大，一般過(guò)濾精度在50 μm。地浸采鈾浸出液中的固體微粒主要是絮凝鐵、鈣鎂沉淀物、黏土等，這些固體雜質(zhì)粒徑一般小于10 μm，在地表不易沉積，常規(guī)過(guò)濾器難以過(guò)濾[1]28-38。對(duì)于地浸采鈾中大量的微粒，常規(guī)的反清洗過(guò)濾器效果一般，在實(shí)際使用過(guò)程中，僅用其過(guò)濾破碎樹(shù)脂[1]166。因此，生產(chǎn)實(shí)踐中需要設(shè)計(jì)一種適于地浸液處理的反清洗過(guò)濾裝置，以提高過(guò)濾效果和自動(dòng)化控制程度。

1 過(guò)濾方式的選擇

過(guò)濾是借助粒狀材料或多孔介質(zhì)截除水中懸浮固體的過(guò)程，是屬于流體動(dòng)力過(guò)程的單元操作，過(guò)濾操作廣泛用于各種工業(yè)生產(chǎn)中。

根據(jù)過(guò)程的推動(dòng)力[5]，過(guò)濾方式可分為4類：1)重力過(guò)濾，其推動(dòng)力是流體本身的液柱靜壓，此法僅適用于處理顆粒粒度大、含量少的液體；2)加壓過(guò)濾，用泵或其他方式將流體加壓，通過(guò)較高的操作壓力，來(lái)加速液體中懸浮物的分離；3)真空過(guò)濾，通過(guò)對(duì)過(guò)濾介質(zhì)抽真空來(lái)處理含有礦?；蚓w顆粒的過(guò)濾介質(zhì)，并便于洗滌濾餅；4)離心過(guò)濾，對(duì)流動(dòng)液體施加離心力，使懸浮物離心沉降，適用于晶體物料和纖維物料的過(guò)濾。

對(duì)于地浸液來(lái)說(shuō)，由于溶液中固含量較少、流量大、原液池與尾液池容量小，導(dǎo)致地浸溶液在地面停留時(shí)間短、過(guò)濾容量大，采用重力過(guò)濾、真空過(guò)濾及離心過(guò)濾方式并不現(xiàn)實(shí)，實(shí)踐中應(yīng)用的只有壓力過(guò)濾。

在地浸液處理過(guò)程中，可選用的壓力過(guò)濾器有濾料過(guò)濾器、袋式過(guò)濾器、濾芯式過(guò)濾器、金屬網(wǎng)式過(guò)濾器。濾料過(guò)濾器用于固含量較多、顆粒較大的溶液，一般用作前置過(guò)濾。濾芯式過(guò)濾器可精細(xì)過(guò)濾、納污量大；但成本較高，更換濾芯的操作復(fù)雜。網(wǎng)式過(guò)濾器過(guò)濾能力大、易于自動(dòng)化；但過(guò)濾精度、納污量小。袋式過(guò)濾器成本低，清洗后可反復(fù)使用；但存在納污量小、更換勞動(dòng)量大、耗時(shí)長(zhǎng)、更換困難等問(wèn)題，使用中不得不降低濾袋精度。

從地浸液處理的角度看，應(yīng)選擇過(guò)濾容量大、納污量大、精度高、易于自動(dòng)化且可反沖洗的過(guò)濾器。因此，試驗(yàn)中選擇了金屬折疊網(wǎng)濾芯式過(guò)濾器，在保證過(guò)濾能力和精度的前提下，提高過(guò)濾面積，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和反清洗操作。

2 全自動(dòng)反清洗精細(xì)過(guò)濾器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

采用2級(jí)過(guò)濾方式，以合理分配過(guò)濾強(qiáng)度；采用金屬折疊濾芯，保證納污量；依據(jù)過(guò)濾的水樣分析結(jié)果，確定過(guò)濾精度；設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制，保證反沖洗效果。

2.2 過(guò)濾器設(shè)計(jì)

2.2.1 過(guò)濾精度的選擇

浸出劑中的固體顆粒注入地層后，會(huì)逐漸堵塞地層中的滲流通道，堵塞程度與懸浮顆粒大小、粒徑分布及與孔喉的匹配相關(guān)[1]166。一般認(rèn)為，液體中顆粒尺寸大小達(dá)到孔喉直徑的1/3時(shí)，顆?？稍诤淼捞幮纬杉軜騕6];而不同粒徑的顆粒在地層中流動(dòng)時(shí)，還能夠在孔喉處按顆粒由大到小的順序形成嚴(yán)密堵塞[7]。因此，過(guò)濾器需要將液體中大部分的懸浮物除去，才能保證注液量的穩(wěn)定。

對(duì)溶液(地下水、浸出液)進(jìn)行分析，確定溶液中固體微粒的含量及粒徑分布；并對(duì)溶液中主要化學(xué)成分、pH、Eh等進(jìn)行分析，對(duì)溶液中固體物的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定過(guò)濾器濾芯的級(jí)數(shù)與濾徑。

對(duì)某地浸鈾礦床北帶運(yùn)行半年以上的浸出液進(jìn)行了分析，并與洗井水樣的分析結(jié)果進(jìn)行了比較，固體質(zhì)量濃度為1.0～1.5 mg/L，結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出：運(yùn)行半年多的浸出液(BC-1)，已無(wú)50 μm以上的微粒，且總的微粒數(shù)也較少，溶液較為干凈；而5個(gè)洗井水樣，由于井筒周?chē)橐哼€未達(dá)到平衡，其中的微粒數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于BC-1中的數(shù)量，且含有一定數(shù)量的較大顆粒。

表1 某地浸鈾礦床北帶水樣的微粒分布

根據(jù)以上分析結(jié)果，確定該鈾礦床的過(guò)濾器選2級(jí)精度，第1級(jí)精度濾芯的濾徑為10 μm，第2級(jí)精度濾芯的濾徑為5 μm。

2.2.2 濾材的選擇

濾材選用特種不銹鋼，易于反沖洗和清除雜質(zhì)。對(duì)常見(jiàn)的高精度金屬纖維燒結(jié)網(wǎng)、金屬粉末燒結(jié)氈、金屬多層網(wǎng)進(jìn)行了比選，見(jiàn)表2。

表2 3種不同濾材性能比較

金屬纖維燒結(jié)網(wǎng)由不銹鋼(316L)金屬纖維制成的多孔深度型濾材折疊制成，具有處理量大、過(guò)濾精度高、納污量大、壓差低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。金屬粉末燒結(jié)氈采用金屬粉末燒結(jié)而成，具有耐高溫、耐腐蝕、孔徑均勻穩(wěn)定、透氣性好、機(jī)械強(qiáng)度高、可清洗再生等特點(diǎn)[8]。高精度金屬多層網(wǎng)處理量大、價(jià)格低、使用壽命長(zhǎng)、易清洗、過(guò)濾精度高、耐壓強(qiáng)度較好，工藝過(guò)程穩(wěn)定可靠，尤其是該濾件具有優(yōu)異的清洗再生功能，可確保過(guò)濾系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。因此，優(yōu)選3層高精度不銹鋼網(wǎng)做為濾材。

2.2.3 折疊濾芯的結(jié)構(gòu)

根據(jù)過(guò)濾面積確定濾材的折疊層數(shù)，首尾濾層合縫處采用氬弧焊接，保證濾層合縫的強(qiáng)度。支承體采用1.0 mm厚的316L不銹鋼板制成，其上設(shè)置篩孔，卷焊成筒狀，內(nèi)、外支承體可使濾芯滿足單向流動(dòng)的需要，防止作業(yè)中發(fā)生反向流動(dòng)沖壞濾芯。將內(nèi)、外支承體的一端和上端蓋焊接，另一端和下端蓋用螺紋連接；然后再用環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)，保證連接強(qiáng)度。下封頭上裝有密封圈，保證濾網(wǎng)內(nèi)外的密封[9]。設(shè)計(jì)1級(jí)濾芯3個(gè)、2級(jí)濾芯3個(gè)，每級(jí)濾芯采用2用1備方式，折疊濾芯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2.4 過(guò)濾器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)反清洗精細(xì)過(guò)濾是地浸采鈾溶液過(guò)濾的發(fā)展方向。應(yīng)用自動(dòng)控制方式不僅可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，也可按時(shí)采集數(shù)據(jù)、保證設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行[10]49-54。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用可編程程序控制，設(shè)置了12個(gè)壓力傳感器、24個(gè)電動(dòng)蝶閥和2個(gè)電磁閥。

采用西門(mén)子控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)4種控制方式：(壓差控制、手動(dòng)控制、時(shí)間控制、PLC智能控制)，各種控制方式都簡(jiǎn)單、易于操作。同時(shí)，設(shè)備可與中央控制系統(tǒng)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)反沖洗，無(wú)需人工干預(yù)[10]49-54。系統(tǒng)控制界面如圖2所示。

2.2.5 總體設(shè)計(jì)及效果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了總流程設(shè)計(jì)，全自動(dòng)反清洗精細(xì)過(guò)濾裝置運(yùn)行流程如圖3所示。試驗(yàn)用全自動(dòng)反清洗精細(xì)過(guò)濾裝置如圖4所示。

3 全自動(dòng)反清洗過(guò)濾器的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用操作流程

全自動(dòng)反清洗精細(xì)過(guò)濾裝置的應(yīng)用流程，包括以下步驟：1)正常過(guò)濾。浸出液或下注液經(jīng)過(guò)1級(jí)過(guò)濾進(jìn)液管、1級(jí)過(guò)濾進(jìn)液閥、1級(jí)過(guò)濾出液閥和2級(jí)過(guò)濾進(jìn)液管、2級(jí)過(guò)濾進(jìn)液閥、2級(jí)過(guò)濾出液閥進(jìn)行過(guò)濾，合格濾液從2級(jí)過(guò)濾出液管流出。2)反清洗操作。當(dāng)?shù)?級(jí)濾芯濾前和濾后壓差大于設(shè)定值，和/或第2級(jí)濾芯濾前和濾后壓差大于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)備用濾芯，然后關(guān)停需反洗濾芯，準(zhǔn)備反沖洗。3)通過(guò)穩(wěn)壓閥控制反清洗劑壓力，用減壓閥控制壓縮空氣的壓力，依次打開(kāi)氣包和反洗液閥門(mén)、反沖進(jìn)液閥、排污閥進(jìn)行反沖，直至反沖水中無(wú)鐵和可見(jiàn)固體顆粒，結(jié)束反沖。4)反清洗結(jié)束，濾芯進(jìn)入備用狀態(tài)。

3.2 應(yīng)用效果

正常情況下，在同等注液壓力下，浸出劑經(jīng)3～6個(gè)月運(yùn)行后，其注液量會(huì)下降15%～40%[3]1-4。

設(shè)計(jì)的全自動(dòng)反清洗過(guò)濾裝置，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，6個(gè)濾芯的反沖時(shí)間在30～45 min，反沖后1級(jí)和2級(jí)壓差均小于0.1 MPa。本裝置及應(yīng)用工藝在地浸實(shí)踐中取得了良好的過(guò)濾、反沖效果，節(jié)水、省時(shí)作用明顯,系統(tǒng)自動(dòng)化程度高。

在長(zhǎng)達(dá)一年多的時(shí)間內(nèi)，采用全自動(dòng)精細(xì)過(guò)濾裝置，某礦床北帶試驗(yàn)的注液過(guò)程一直保持穩(wěn)定，注液量、注液壓力維持不變，顯示出良好的過(guò)濾除雜作用。

4 與常規(guī)過(guò)濾器的比較

對(duì)本裝置與常規(guī)過(guò)濾器進(jìn)行了比較，見(jiàn)表3。

表3 本裝置與常規(guī)過(guò)濾器的比較

由表3可見(jiàn)，由于刷洗的需要，常規(guī)反清洗過(guò)濾器需采用較高強(qiáng)度的過(guò)濾網(wǎng)，限制了高精度過(guò)濾網(wǎng)的應(yīng)用，過(guò)濾精度一般為50 μm；且采用單層不銹鋼網(wǎng)，納污量小。全自動(dòng)反清洗過(guò)濾裝置采用高精度金屬多層絲網(wǎng)折疊濾芯，過(guò)濾精度達(dá)5 μm，納污量較大。理論上常規(guī)反清洗過(guò)濾器有較好的反沖洗效果；但在酸法浸出中，泥等雜質(zhì)可能黏在濾網(wǎng)上，且無(wú)法濾除堿法浸出液中的泥土。折疊濾芯采用嚴(yán)格的反沖工藝，可以較好實(shí)現(xiàn)反沖目的。袋式過(guò)濾器雖然成本低；但其納污量小、勞動(dòng)強(qiáng)度大，導(dǎo)致過(guò)濾精度差，礦層堵塞嚴(yán)重。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)制造的全自動(dòng)反清洗精細(xì)過(guò)濾裝置，具有良好的過(guò)濾、反沖洗性能，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，清洗裝置保證了注液量、注液壓力在長(zhǎng)達(dá)一年多的時(shí)間內(nèi)維持不變。該裝置與常規(guī)的自動(dòng)反清洗過(guò)濾器相比，過(guò)濾精度高、納污量大，且易于反沖洗，有廣闊的應(yīng)用前景。